Предизвикателството при проектиране при високо{0}}налягане
Стандартните PTFE топлообменници са проектирани за налягане на парата до 4-6 barg. Някои химически процеси изискват по-високи температури, които изискват по-високо налягане на парата-до 10 barg (температура на насищане 184 градуса). При тези налягания колекторът се превръща в критичен компонент, съдържащ налягане. Дебелината на стената му трябва да е достатъчна, за да осигури необходимия експлоатационен живот без разкъсване при пълзене или прекомерна деформация.
Колекторът е дебел{0}}цилиндър под вътрешно налягане. Разпределението на напрежението през стената е не-равномерно-най-високо на вътрешната повърхност, най-ниско на външната повърхност. За PTFE, с неговото не-линейно поведение при пълзене, дизайнът трябва да отчита както първоначалната якост на разрушаване, така и -дългосрочната якост на разрушаване при пълзене при работна температура.
Изчисляване на дебелината на стената
За цилиндър с дебели стени под вътрешно налягане обръчното напрежение на вътрешната повърхност е: σ_h=P × (D_o² + D_i²) / (D_o² - D_i²), където P е вътрешното манометрично налягане, D_o е външният диаметър и D_i е вътрешният диаметър. Това е уравнението на Ламе за цилиндри с дебели-стени.
Проектният подход е да се избере такава дебелина на стената, че обръчното напрежение на вътрешната повърхност да не надвишава допустимото напрежение за PTFE при работната температура и необходимия експлоатационен живот. За модифициран PTFE при 184 градуса (10 barg насищане), допустимото обръчно напрежение за 10-годишен експлоатационен живот е приблизително 1,5-2,0 MPa, въз основа на данни за разкъсване при пълзене с коефициент на безопасност 2,0.
За колектор с вътрешен диаметър 40 mm, работещ при 10 barg (1,0 MPa габарит), необходимата дебелина на стената се изчислява чрез итериране на t, докато обръчното напрежение на вътрешната повърхност се изравни с допустимото напрежение:
| Дебелина на стената (mm) | D_o (mm) | Обръчно напрежение на вътрешната повърхност (MPa) | Допустимо напрежение (MPa) | Приемливо? |
|---|---|---|---|---|
| 6 | 52 | 4.8 | 2.0 | не |
| 10 | 60 | 2.7 | 2.0 | не |
| 15 | 70 | 1.8 | 2.0 | да |
| 20 | 80 | 1.4 | 2.0 | Да (консервативен) |
Необходима е дебелина на стената от 15-20 mm за 40 mm ID колектор при 10 barg пара.
| Параметър на дизайна | Стойност |
|---|---|
| Налягане на парата (манометър) | 10 barg (1,0 MPa) |
| Температура на насищане | 184 градуса |
| ID на заглавката | 40 мм |
| Модифициран PTFE допустимо напрежение при 184 градуса, 10 години, SF=2 | 1,5-2,0 MPa |
| Изчислена минимална дебелина на стената | 15 мм |
| Препоръчителна дебелина на стената (с резерв) | 18-20 мм |
Усилване на проникването на тръбата
Стената на колектора е пробита от отворите за свързване на тръбите. Всяка дупка е концентрация на напрежение, което увеличава локалното напрежение. Отворите трябва да бъдат подсилени чрез удебеляване на стената на колектора локално около всеки отвор или чрез използване на отделна конструкция на тръбния лист, където тръбите са свързани към плоска плоча, а не към цилиндричната стена на колектора.
Конструкцията с плоска тръбна плоча често се предпочита за колектори с високо{0}}налягане, тъй като геометрията на плоската плоча е по-лесна за анализиране и подсилване от цилиндрична обвивка с множество проходи. Дебелината на тръбния лист се изчислява с помощта на формули за плоска плоча с подходящи коефициенти на концентрация на напрежението за шаблона на отворите.
Съображение за живота на Creep
При 184 градуса скоростта на пълзене на PTFE е значителна. Дебелината на стената на колектора, изчислена за първоначалната якост на спукване, трябва да се провери за издръжливост при пълзене. Колекторът бавно ще увеличава диаметъра си с течение на времето, докато полимерът се пълзи под продължително напрежение. Проектът трябва да гарантира, че деформацията на пълзене през 10-годишния експлоатационен живот не надвишава допустимата граница (обикновено 2-3%).
Животът при пълзене може да управлява дебелината на стената, а не първоначалната якост на разрушаване. При 184 градуса, ограничената-дебелина на пълзене може да бъде по-голяма от-ограничената дебелина на разрушаване. По-голямата от двете стойности се използва за дизайна.
Резюме
PTFE топлообменен колектор, работещ при 10 barg пара, изисква дебелина на стената от 15-20 mm за 40 mm ID, въз основа на модифициран PTFE допустимо напрежение от 1,5-2,0 MPa при 184 градуса. Отворите за проникване на тръби изискват локална армировка или отделна конструкция с плосък тръбен лист. Издръжливостта на пълзене при повишена температура може да определя дебелината, а не първоначалната якост на спукване. Проектирането на колектор за високо налягане е специализирана инженерна задача, изискваща данни за пълзене при специфичната работна температура.
Инженерна поддръжка за дизайн на PTFE колектор за високо{0}}налягане е налице при подаване на налягане на парата, ID на колектора, необходим експлоатационен живот, качество на PTFE и подробности за свързване на тръбата.
